Физические основы магнитной левитации на постоянных магнитах. Какие есть примеры магнитной левитации

arky_titan в Магнитная левитация

Вот этот эффект я просто обожаю. На днях откопали среди шурушков застарелую таблетку иттрий-бариевого оксидного купрата (YBCO), которая, несмотря на ужасные условия хранения, сохранила немного сверхпроводящих свойств.

В связи с этим я незамедлительно провел серию экспериментов по подвешиванию магнитиков в воздухе (магнитной сверхпроводниковой левитации).

Зависает магнит следующим образом. Берётся тёплый сверхпроводник, находящийся при температуре выше критической. То есть выше той, при которой он переходит в состояние сверхпроводимости.

В этом состоянии он является очень плохим проводником тока с невероятно-слабыми магнитными свойствами. Силовые линии магнитного поляв внешнего магнита проходит через него практически без искажения.

Берутся так же магнитик и пласмасска определенной толщины. Магнит кладется на сверхпроводник (или наоборот), а между ними пластмасска. Затем сверхпроводник охлаждается жидким азотом. Температура кипения жидкого азота -195.8°С, а критическая температура YBCO около -184°C.

Сверхпроводимость характеризуется так назыаемым эффектом Мейснера - полным выталкиванием магнитного поля из толщи сверхпроводника. Так что магнитный поток, который до этого свободно проходил через сверхпроводник оказывается в необычном положении. Он достаточно силён, чтобы немного помешать полному переходу сверхпроводника в сверхпроводящее состояния при данной темепературе и не вытесниться из обёма полностью. Но недостаточно силён, чтобы разрушить сверхпроводимость полностью.

И тут происходит чудо. Внутри сверхпрводника возникает множество крохотных участков, которые не являются сверхпроводящими. В них стягиваются магнитные линии внешнего магнита. Но так как вокруг них весь остальной материал сверхпроводящий, вокруг этих зон начинают циркулировать токи, создающие точно такое же поле, только обратного направления, чтобы скомпенсировать внешнее поле и не позоволить ему проникнуть вглубь.

Силовые линии при этом стягиваются в эти точки, каждая из которых может пропустить через себя не какое-то произвольную, а строго квантованную величину магнитного потока. Квант магнитного потока - фундаментальная постоянная, определяемая постоянной Планка и зарядом электрона. Через каждую такую зону может проходить только кратное количество квантов. А из энергетических соображений в данном случае может проходить только один квант через каждый.

Эти структуры - с крохотной нормальной зоной, несущей квант магнитного потока и циркулирующий вокруг него незатухающий ток называются вихрями Абрикосова.

Чудо заключается в том, что т.к. токи незатухающие, то сверхпроводник "запоминает" профиль поля магнита и в точности его копирует. В силу сверхпроводимости, единожды образовавшись ток уже не затухает, поэтому сверхпроводник будет препятствовать изменению магнитного потока.

Иначе говоря, если вы придвините магнит ближе и попробуете вдавить больше силовых линий, он будет отталкиваться. Если же начнете удалять и, таким образом уменьшать магнитный поток, он будет притягиваться. Даже если с силой удалить магнит в который "вморозился" поток постоянного магнита, то когда вы вернете его на место, он впрыгнет туда же, где он изначально стоял.

Если же приблизить магнит достаточно близко и с силой, то можно "вдавить" немного магнитного поля в сверхпроводник, разрушив чуть больше сверхпроводимости. Тогда вихрей Абрикосова в объёме добавится и высота будет чуть ниже.

Когда вихрей абрикосова становится так много, что они оначинают перекрываться, это момент полного разрушения сверхпроводимости в сверхпроводнике второго рода внешним магнитным полем.

Церковные низкотехнологичные чудеса отдыхают:)

3.4. Магнитостат.

"Магнитостат - аппарат способный

перемещаться в магнитном поле

за счет диамагнитной выталкивающей

силы, действующей на все

диамагнетики в магнитных полях"

Вступление. Идея использования в качестве опоры для левитации магнитного поля Земли, уже очень стара. Подобное устройство описывал в своих произведениях еще Джонатан Свифт. Но все предложенные конструкции магнитолетов, которые по задумки изобретателей должны были левитировать в магнитном поле Земли за счет силы Лоуренса очень далеки до воплощения в металле и имеют целый ряд неразрешенных технических трудностей. Не буду утруждать читателя подробностями, а сразу же оговорю, что данная конструкция магнитостата, о которой пойдет речь во второй половине статьи, еще никем и нигде и никогда не предлагалась. Хотя ее модель в отличие от магнитолетов различных конструкций может собрать и испытать каждый. Диамагнитная левитация . Магнитостат это аппарат способный левитировать в магнитосфере Земли за счет "Диамагнитной левитации" или же аналога силы Архимеда в магнитном поле . Принцип действия Магнитостата заключается в следующем: Магнитное поле это изначально довольно жесткая конструкция. Диамагнетик же генерирует навстречу исходному полю свое слабое магнитное поле .

Частично силовые линии внешнего магнитного поля частично стремятся обогнуть диамагнетик

Но наиболее это ярко выражено у сверхпроводников. Исходное магнитное поле старается сомкнуться и вытолкнуть из себя эту магнитную аномалию. А так как F1>F2 (см. рис.3) то мы локально получим аналог Силі Архимеда (Fa), для магнитного поля.

И диамагнетики и сверхпроводники вытесняются из магнитного поля с большей интенсивностью в магнитное поле с меньшей интенсивностью. Естественно, что интенсивность магнитного поля в магнитосфере вблизи поверхности Земли и выше отличается. Поэтому и в магнитном поле Земли также на все диамагнетики и сверхпроводники действует выталкивающая силы, и если бы магнитное поле Земли было бы достаточно сильным, то и в нем бы наблюдалась "Диамагнитная Левитация". Главный вопрос состоит в том, что способна ли сила магнитной левитации обеспечит достаточную подъемную силу для полета летательного аппарата? Математический анализ: Предположим, что поле внутри диамагнитного шара ноль. Шар сделан из сверхтонкой пленци свинца и охлажден до 4К. При перемещении шара, а точнее сферы из области с высокой напряженностью поля в область с низкой мы имеем разность энергетических состояний. В данном случае совершается работа. Которая равна произведению силы на путь, который в данном случае есть подьем по высоте. Таким образом, можно найти силу как дифференциал магнитной энергии по высоте.
Обьемная энергия магнитного поля (в системе СИ на метьр кубический) вычисляется как
квадрат магнитной индукции деленный на 2 и на магнитную постоянную
(или как квадрат напряженности помноженный на магнитную постоянную и деленный на два, как кому больше нравится)
дифференцируем это выражение по dh, где h это координата высоты.
Получаем силу F (действующей в вертикальном направлении) как равной:
произведению магнитной индукции на ее градиент по высоте, деленные на магнитную постоянную.
На уровне максимальная индукция магнитного поля Земли 5*10Е-5 Тл,
максимальный градиент магнитного поля Земли -2*10Е-11 (!!!) Тл/метр
Получаем -10Е-9 ньютона, или примерно 0,1 микрограмма подьемной силы на метр кубический.
КУБИЧЕСКИЙ КИЛОМЕТР такого шара поднимет 100 грам, то есть стакан водки.
Отсюда, строя некие соленоиды на Земле можно в целом увеличить это значение примерно на три порядка. Что очень-очень мало. Комментарии Как мы видим из математического анализа диамагнитная левитация в магнитном поле Земли, с использованием идеального диамагнетики которым является сверхпроводник, вполне возможна, если конечно сверхпроводящий шар диаметром в 1 км, будет весить меньше 100 грамм. Также есть возможность в какой то мере увеличить подъемную силу данного аппарата, за счет изменения конструкции.

Но все равно в чистом виде, левитация в магнитном поле Земли, без наличия статического электрического заряда, который взаимодействует также и с электрическим полем Земли, врядли возможно. Но электрического поле нестабильно по высоте и сильно ослабевает на высоте 8-10 км . Увы неподвижное магнитное поле не взаимодействует с неподвижными зарядами. Что-то одно должно двигаться. Сфера применения. Подъемная сила диамагнитного летательного аппарата из сверхпроводника (идеального диамагнетика) прямо пропорциональна площади оболочки летательного аппарата и обратно пропорциональна массе летательного аппарата: F=k*(S/M) F-подъемная сила k-коэффициент пропорциональности S-площадь оболочки летательного аппарата M-масса летательного аппарата Из этого соотношения видно, что толкающая сила F зависит от площади, оболочки летательного аппарата и массы летательного аппарата При это чем больше площадь тем, больше подъемная силы. А вот масса которая естественно возрастает при увеличении площади оболочки уменьшает силу F. Но в космосе, в невесомости увеличение массы, не столь критично по сравнению с условиями существующими на Земле. В невесомости площадь аппарата может быть огромной, мы готовы разворачивать многокилометровые "Солнечные паруса". Использование же сверхпроводника, позволит получить стабильную прогнозируемую толкающую силу, без привязки к "солнечному ветру", а учитывая площадь магнитостата то, сверхпроводящая оболочка может работать также как и "солнечный парус", а дополнительная толкающая сила (Fd), сделает этот аппарат более маневренным. При чем сила (Fd) будет двигать аппарат по круговой орбите вокруг Солнца, а "Солнечный ветер" (Fs)будет сносить аппарат от Солнца.

В виду, того, что сила (Fd) направлена перпендикулярно силовым линиям, и будет направлять аппарат вокруг солнца, а "солнечный ветер", создает силу (Fs) от Солнца. При чем если площадь, аппарата, будет достаточно велика, то он сможет перемещаться не только в магнитном поле Солнца, к самым окраинам Солнечной системы, а и далее в уже магнитном поле нашей галактики , направившись к другим Звездам, как за счет диамагнитной силы (Fd) так и за счет силы (Fs). Вне солнечной системы сила Fs (сила давления солнечного ветра и света) будет минимальной и ею можно пренебречь. Также надо понимать, что возможно "привязка" к магнитному полю. Вполне может заменить аппарату, гигантские солнечные паруса. В силу того, что "Поток солнечной плазмы "выметает" из внутренней части солнечной системы планетные и галактические магнитные поля. Солнечный ветер будет "гнать" галактическое поле перед собой до тех пор, пока не будет достигнуто динамическое равновесие между давлением солнечного ветра и давлением галактической среды. Это происходит на расстоянии от 10 до 100 астрономических единиц", типичные величины скоростей между 300 и 800 км/с , и это без учета того, что это магнитное поле имеет также тенденцию двигаться вокруг вращающегося Солнца, в вернее с ним. А магнитостат, в силу своей диамагнитности, как бы "вморожен" в это вращающееся, двигающееся и гонимое солнечным ветром, магнитное поле. В этом смысле это магнитное поле может стать для магнитостата аналогом "солнечного паруса". Особенности конструкции. Устройство летательного аппарата весьма просто. Это будет шар, но разделенный на восемь или даже более сегментов при этом каждая полусфера будет поделена на четыре сегмента, в принципе так же как и в футбольном мяче. Управление летательного аппарата осуществляется при помощи "включения" и "отключения" отдельных сегментов оболочки шара. Включение сегмента означает, что сверхпроводящий лист находится, соответственно, в сверхпроводящем состоянии. Отключение сегмента означает, что сверхпроводящий лист переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние путем повышения температуры листа. Для этого просто достаточно убрать светозащитное покрытие или другим способом нагреть этот лист. Если же мы хотим восстановить сверхпроводящие свойства экрана, надо вновь охладить путем исключив на него попадание солнечных лучей, при этом сегмент охладится просто излучая в вакуум тепло в виде электромагнитных волн, теплового спектра.

При "отключении" сегмента при переводе их в обычное состояние появляется толкающая сила направленная в сторону выключенного сегмента, при этом магнитные силовые линии легко пронизывают "выключенный" сегмент шара. Естественно, что весь летательный аппарат движется в этом направлении. Для перемещения такого магнитного летательного аппарата в космосе необходимо только наличие магнитного поля. Естественно, что в межзвездном пространстве, где излучение от звезд относительно не велико следует предусмотреть более традиционные способы нагрева то есть "выключение" сегментов. Конструкция сегментов. Каждый сегмент это сендвич: световой экран, сверхпроводник, тепловой экран. Вне шара и в полостях между экранами находится космический вакуум, в котором все тела интенсивно охлаждаются за счет теплового излучения с поверхности аппарата . Вот конструкция сегмента в разрезе.

Охлаждение "включение" сегмента происходит за счет теплоотдачи излучением, которая пропорциональна площади поверхности и, по закону Стефана - Больцмана, четвертой степени ее температуры. Охлаждение в вакууме, в условиях космоса возможно: как путем испарения жидкости и тепловым излучением с поверхности аппарата. Испарители применяют редко, ведь для них надо брать с собой запас "хладагента". Гораздо чаще используют радиаторы, помогающие "излучать" тепло в космос . Нагрев или же "выключение" сегмента также происходит естественным способом, при попадании на сверхпроводник световой энергии. Для этого светоотражающий экран, должен стать хотя бы частично прозрачным для лучей солнца. Эпилог. В основе создания толкающей без реактивной силы с помощью которой вполне возможно летать в межпланетном и даже межзвездном пространстве практически без затрат энергии, лежит хорошо всем известный эффект выталкивания диамагнетиков из магнитного поля. Фактически сила выталкивающая диамагнетик из магнитного поля есть аналог всем известной сила Архимеда, но уже действующая в магнитном поле. А раз диамагнитная выталкивающая сила есть аналог Силы Архимеда, за счет которой левитируют в атмосфере все Стратостаты. То по аналогии я и назвал аппарат способный перемещаться в магнитном поле - "МАГНИТОСТАТОМ". Предполагаю, что если неким образом "скрестить" магнитостат с конденсатором, решив проблему концентрации большого электрического заряда в относительно не большом объеме. То магнитостат сможет левитировать и в пределах электрического поля Земли. Литература: 1. Моделист конструктор 1975-2. Февраль 1975 года. И. Евстратов. Элекоптер-магнитолет? http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/%27%27Modelist-konstruktor%27%27/%27%27MK%27%27,1975,N02.%5Bdjv%5D.zip 2. Левитация (физика) http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%28%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%29#.D0.94.D0.B8.D0.B0.D0.BC.D0.B0.D0.B3.D0.BD.D0.B8.D1.82.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D0.BB.D0.B5.D0.B2.D0.B8.D1.82.D0.B0.D1.86.D0.B8.D1.8F 3. Диамагнетики. Материал из Википедии -- свободной энциклопедии http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8#.D0.94.D0.B8.D0.B0.D0.BC.D0.B0.D0.B3.D0.BD.D0.B8.D1.82.D0.BD.D0.B0.D1.8F_.D0.BB.D0.B5.D0.B2.D0.B8.D1.82.D0.B0.D1.86.D0.B8.D1.8F 4. Закон Архимеда. Словари и Энциклопедии на Академики. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/154577 5.Диамагнетизм Материал из Википедии -- свободной энциклопедии http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC 6.МАГНИТНАЯ ЛЕВИТАЦИЯ. http://interjurnal.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=1%3A2010-05-15-13-22-49&catid=14%3A2010-05-15-06-28-28&Itemid=15?=ru 7. МЕЖГАЛАКТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Ю.Н. ГНЕДИН, доктор физико-математических наук ГАО РАН http://www.inauka.ru/astronomy/article99696/print.html 8. Электростат. http://zhurnal.lib.ru/l/lemeshko_a_w/aba.shtml 9. Игорь Афанасьев, Дмитрий Воронцов Анатомия спутника http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/6330/ 10. http://works.tarefer.ru/89/100141/index.html Андрей. 2010

/ 13
ХудшийЛучший

Если мы поднесем северный полюс постоянного магнита к северному же полюсу другого такого же магнита, магниты будут отталкиваться друг от друга. (Если мы перевернем один из магнитов и поднесем его южным полюсом к северному полюсу другого, два магнита будут притягиваться.) Этот же принцип - то, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, - можно использовать для подъема с земли огромных тяжестей. Уже сейчас в нескольких странах идет строительство технически передовых поездов на магнитной подвеске. Такие поезда проносятся не по путям, а над ними на минимальном расстоянии; на весу их удерживают обычные магниты. Поезда как бы парят в воздухе и могут благодаря нулевому трению развивать рекордные скорости.

Первая в мире коммерческая автоматизированная транспортная система на магнитной подвеске была запущена в действие в 1984 г. в британском городе Бирмингеме. Она соединила терминал международного аэропорта и расположенный неподалеку железнодорожный вокзал. Поезда на магнитной подвеске действуют также в Германии, Японии и Корее, хотя большинство из них не предназначены для высоких скоростей. Первый скоростной коммерческий поезд на магнитной подвеске начал ходить по запущенному в действие участку трассы в Шанхае; этот поезд движется по трассе со скоростью до 431 км/ч. Японский поезд на магнитной подвеске в префектуре Яманаси разогнался до скорости 581 км/ч - т. е. двигался значительно быстрее, чем обычные поезда на колесах.

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности - использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес . Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. (Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов набор монет города воинской славы . При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

Физики сразу поняли важность полученного результата. При передаче на большие расстояния в линиях электропередачи теряется значительное количество электроэнергии. Но если бы сопротивление удалось устранить, электроэнергию можно было бы передавать в любое место почти даром. Вообще, возбужденный в замкнутом контуре электрический ток мог бы циркулировать в нем без потерь энергии миллионы лет. Более того, из этих необычайных токов несложно было бы создать магниты невероятной мощности. А имея такие магниты, можно было бы без усилий поднимать громадные грузы.

Несмотря на чудесные возможности сверхпроводников, применять их очень непросто. Держать большие магниты в баках с чрезвычайно холодными жидкостями очень дорого. Чтобы сохранять жидкости холодными, потребуются громадные фабрики холода, которые поднимут стоимость сверхпроводящих магнитов до заоблачных высот и сделают их использование невыгодным.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, которое сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре - «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.

В принципе вполне представимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов.

Десятки лет физики безуспешно искали вещества, которые обладали бы сверхпроводимостью при комнатной температуре. Это был утомительный скучный процесс - искали методом проб и ошибок, испытывая один материал за другим. Но в 1986 г. был открыт новый класс веществ, получивших название «высокотемпературные сверхпроводники»; эти вещества обретали сверхпроводимость при температурах порядка 90° выше абсолютного нуля, или 90 К. Это открытие стало настоящей сенсацией в мире физики. Казалось, распахнулись ворота шлюза. Месяц за месяцем физики соревновались друг с другом, стремясь установить новый мировой рекорд сверхпроводимости. Какое-то время даже казалось, что сверхпроводимость при комнатной температуре вот-вот сойдет со страниц научно-фантастических романов и станет реальностью. Но после нескольких лет бурного развития исследования в области высокотемпературных сверхпроводников начали замедляться.

В настоящее время мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, которое становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это - важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. Поэтому для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)

Неприятно другое. В настоящее время не существует теории, которая объясняла бы свойства высокотемпературных сверхпроводников. Более того, предприимчивого физика, который сумеет объяснить, как они работают, ждет Нобелевская премия. (В известных высокотемпературных сверхпроводниках атомы организованы в четко выраженные слои. Многие физики предполагают, что именно слоистость керамического материала дает возможность электронам свободно передвигаться внутри каждого слоя, создавая таким образом сверхпроводимость. Но как именно и почему это происходит - по-прежнему загадка.)

Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно - завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.

Но если сверхпроводники при комнатной температуре будут открыты, их открытие, скорее всего, породит громадную волну новых изобретений и коммерческих приложений. Обычными, возможно, станут магнитные поля, в миллион раз более сильные, чем магнитное поле Земли (которое составляет 0,5 Гс).

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера . Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы. Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.

В заключение отметим, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.

В научной фантастике силовые поля выполняют еще одну функцию, кроме отражения ударов из лучевого оружия, а именно служат опорой, которая позволяет преодолевать силу притяжения. В фильме «Назад в будущее» Майкл Фокс катается на «ховерборде», или «парящей доске»; эта штука во всем напоминает привычный скейтборд, вот только «ездит» по воздуху, над поверхностью земли. Физические законы - такие, какими мы их знаем на сегодняшний день, - не позволяют реализовать подобное подобное антигравитационное устройство (как мы увидим в главе 10). Но можно представить себе в будущем создание других устройств - парящих досок и парящих автомобилей на магнитной подушке; эти машины позволят нам без труда поднимать и удерживать на весу крупные объекты. В будущем, если «сверхпроводимость при комнатной температуре» станет доступной реальностью, человек сможет поднимать в воздух предметы, используя возможности магнитных полей.

Но устройства на магнитной подвеске чрезвычайно дороги. Один из путей к увеличению их эффективности - использование сверхпроводников, которые при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, полностью теряют электрическое сопротивление. Явление сверхпроводимости открыл в 1911 г. Хейке Камерлинг-Оннес. Суть его состояла в том, что некоторые вещества при охлаждении до температуры ниже 20 К (20° выше абсолютного нуля) теряют всякое электрическое сопротивление. Как правило, при охлаждении металла его электрическое сопротивление постепенно уменьшается. Дело в том, что направленному движению электронов в проводнике мешают случайные колебания атомов. При уменьшении температуры размах случайных колебаний уменьшается, и электричество испытывает меньшее сопротивление.) Но Камерлинг-Оннес, к собственному изумлению, обнаружил, что сопротивление некоторых материалов при определенной критической температуре резко падает до нуля.

Но однажды физикам, возможно, удастся создать вещество, которое сохранит сверхпроводящие свойства даже при нагреве до комнатной температуры. Сверхпроводимость при комнатной температуре - «святой Грааль» физиков-твердотельщиков. Получение таких веществ, по всей вероятности, послужит началом второй промышленной революции. Мощные магнитные поля, способные удерживать на весу машины и поезда, станут настолько дешевыми, что даже «планирующие автомобили», возможно, окажутся экономически выгодными. Очень может быть, что с изобретением сверх-проводников, сохраняющих свои свойства при комнатной температуре, фантастические летающие машины, которые мы видим в фильмах «Назад в будущее», «Особое мнение» и «Звездные войны», станут реальностью.

В принципе вполне пред ставимо, что человек сможет надевать специальный пояс из сверхпроводящих магнитов, который позволит ему свободно левитировать над землей. С таким поясом можно было бы летать по воздуху, подобно Супермену. Вообще, сверхпроводимость при комнатной температуре явление настолько замечательное, что изобретение и использование таких сверхпроводников описано во множестве научно-фантастических романов (таких, как серия романов про Мир-Кольцо, созданная Ларри Нивеном в 1970 г.).

В настоящее время мировой рекорд для высокотемпературных сверхпроводников принадлежит веществу, представляющему собой сложный оксид меди, кальция, бария, таллия и ртути, которое становится сверхпроводящим при 138 К (-135 °С). Эта относительно высокая температура все еще очень далека от комнатной. Но и это-важный рубеж. Азот становится жидким при температуре 77 К, а жидкий азот стоит примерно столько же, сколько обычное молоко. Поэтому для охлаждения высокотемпературных сверхпроводников можно использовать обычный жидкий азот, это недорого. (Разумеется, сверхпроводники, остающиеся таковыми и при комнатной температуре, совсем не потребуют охлаждения.)

Недостаток знаний вынуждает физиков искать новые высокотемпературные сверхпроводники по старинке, методом проб и ошибок. Это означает, что пресловутая сверхпроводимость при комнатной температуре может быть открыта когда угодно-завтра, через год, или вообще никогда. Никто не знает, когда будет найдено вещество с такими свойствами и будет ли оно найдено вообще.

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. [Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы, Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Принимая все это во внимание, я бы отнес силовые поля к I классу невозможности, т. е. определил их как нечто невозможное для сегодняшних технологий, но реализуемое в модифицированной форме в течение ближайшего столетия или около того.

Сегодня для вас очередной эксперимент, который, надеемся, заставит вас задуматься. Это динамическая левитация в магнитном поле. В этом случае один кольцевой магнит располагается над таким-же, но большим по размеру. Продаются магниты дешевле в этом китайском магазине .

Это типичный левитрон, который уже был ранее показан (материал ). Большой магнит и маленький. Они направлены друг к другу одноименными полюсами, соответственно отталкиваются, за счет этого и происходит левитация. Присутствует, естественно, магнитная впадина, или потенциальная яма, в которую верхний магнитик садится. Другой момент, это то, что он вращается за счет гироскопического момента, он какое-то время не переворачивается, пока у него скорость не снизится.

В чем замысел эксперимента?

Если мы вращаем волчок только для того, чтобы он не перевернулся, возникает вопрос. А зачем? Если можно взять какую-то спицу, например, деревянную. К ней жестко прикрепить верхний магнитик, а снизу повесить грузчик расположить эту конструкцию над вторым. Таким образом он тоже по идее должен висеть, а нижний грузик не будет давать ему переворачиваться.

Нужно будет очень точно выставить баланс массы этого волчка. Получилось бы магнитная левитация без затрат энергии.

Как это устроено?

Вот кольцевой магнит, в него жестко вставлена деревянная спица. Далее пластинка из пластика с отверстием для стабилизации спицы. И на конце – грузик. Кусочек пластилина для более удобной регулировки подбора массы. Можно откусывать по чуть-чуть и подобрать такую массу всей этой конструкции, чтобы маленький кольцевой магнитик попадал четко в зону левитации.

Давайте его аккуратно поместим внутрь нижнего магнита, он как бы зависает. Кусочком оргстекла можно попытаться стабилизировать его положение. Но вот стабилизации по горизонтали это ему почему-то не придает.

Если убрать пластинку и вернуть все обратно, то магнитик вместе с осью, на которой он покоится, будет сваливаться вбок. Когда он вращается, он почему-то в магнитной яме стабилизируется. Хотя, обратите внимание, при этом вращении он двигается со стороны в сторону, наверное, миллиметров на пять. Точно также он колеблется и в вертикальном положении сверху вниз. Создается такое впечатление, что это магнитная яма имеет определенный люфт. Стоит верхнему магниту попасть в яму, оне его захватывает и удерживает. Остается лишь гироскопическим моментом добиться того, чтобы этот магнит не переворачивался.

В чем была суть эксперимента?

Проверить, если мы сделаем показанную конструкцию с осью, она фактически она выполняет тоже самое, не давая магниту перевернуться. Она выводит его в зону потенциальной ямы, мы подбираем вес этой конструкции. Магнитик находится в яме, но, попадая в нее, почему-то не стабилизируется по горизонтали. Все равно это конструкция сваливается в сторону.

Проведя этот эксперимент, возникает главный вопрос: почему же такая несправедливость, когда этот магнит как волчок вращается, он зависает в потенциальной яме, все отлично стабилизируется и захватывается; а когда создаются те же условия, все тоже самое, то есть масса и высота, яма как будто пропадает. Он просто выталкивается.

Почему нет стабилизации верхнего магнита?

Предположительно, это происходит потому, что невозможно сделать магниты идеальными. Как по форме, так и по намагниченности. Поле имеет какие-то изьяны, перекосы и поэтому в нем не могут два наших магнита найти равновесное состояние. Они обязательно будут соскальзывать, поскольку между ними нет трения. А при вращении левитрона поля как бы сглаживаются, верхняя часть конструкции не успевает при вращении сойти в сторону.

Это понятно, но что мотивировало автора видео сделать этот эксперимент, это наличие потенциальной ямы. Была надежда, что у этой ямы есть какой-то запас прочности для удержания конструкции. Но, увы, этого почему-то не произошло. Хотелось бы почитать ваше мнение об этой загадке.

Есть еще материал на эту тему.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства